ΜΕΛΕΤΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ, ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ (POWER QUALITY STUDY, ANALYSIS AND METHODS OF HARMONIC RESPONSE)

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ Τ. Ε. Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Επιβλέπων: ΕΡΙΕΤΤΑ Ι. ΖΟΥΝΤΟΥΡΙΔΟΥ, Εργ. Συνεργάτης ΜΕΛΕΤΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ, ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ (POWER QUALITY STUDY, ANALYSIS AND METHODS OF HARMONIC RESPONSE) Πτυχιακή Εργασία: Φρονιμάκη Ε. Νικόλαου (Α.Μ ) ΙΟΥΝΙΟΣ 2013

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστώ πολύ την Κυρία Ερριέτα Ζουντουρίδου για την βοήθειά της στην πραγματοποίηση της πτυχιακής μου εργασίας.

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Υπό την ευρύτερη έννοιά της, η ποιότητα ισχύος είναι ένα σύνολο συνθηκών και περιορισμών που επιτρέπουν στα ηλεκτρικά συστήματα να λειτουργούν όπως προορίζεται. Ο όρος χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος που τροφοδοτεί ένα φορτίο, το οποίο χωρίς την κατάλληλη ισχύ μπορεί να υπολειτουργεί, να φθαρεί ή και να μη λειτουργήσει καθόλου. Ιδανικά η ηλεκτρική ισχύς θα είχε ημιτονοειδή μορφή με πλάτος και συχνότητα που δίνονται από τα εθνικά πρότυπα ή τις προδιαγραφές του συστήματος. Στην πραγματικότητα αυτό το ιδανικό δεν θα μπορούσε να υπάρξει ποτέ. Μερικές από τις παρεκκλίσεις που συναντώνται ακολουθούν: Μεταβολές της τάσης: Αύξηση ή μείωση της τάσης συνήθως λόγω της μεταβολής του φορτίου του συστήματος διανομής. Μετράται η τάση για περίοδο μιας εβδομάδας και θα πρέπει ο μέσος όρος του 95% των τιμών ( 10λεπτο) να βρίσκεται στο φάσμα ±10% της ονομαστικής τιμής. Φλίκερ (Flicker): Οι τυχαίες ή επαναλαμβανόμενες διακυμάνσεις στην RMS τάση μεταξύ 90 και 110% της ονομαστικής τιμής, η οποία οδηγεί σε οπτικά αισθητή μεταβολή της έντασης του φωτός που εκπέμπει ένας λαμπτήρας. Βύθιση της τάσης : Ξαφνική μείωση της τάσης σε ποσοστό 90% έως 1% της ονομαστικής, διάρκειας 0.5 κύκλου ως 1 λεπτό. Και οι Αρμονικές ορίζονται ως ημιτονοειδείς τάσεις με συχνότητα ίση με ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους (50Hz).

4 ABSTRACT In its broadest sense, the power quality is a set of conditions and constraints that enable electrical systems to operate as intended. The term used to describe the quality of the electrical power supply that powers a load, which without the proper force may poorly be damaged or may not work at all. Ideally the electric power would sinusoidal with amplitude and frequency given by national standards or system specifications. In reality this ideal could never be. Some exceptions are found below: Changes the trend: Increase or decrease the voltage usually due to the change of load distribution system. Measure the voltage for a period of one week and will have an average of 95% of values (10min) lie in the range ± 10% of nominal value. Fliker (Flicker): The random or repetitive fluctuations in RMS voltage between 90 and 110% of the nominal value, which results in a visually perceptible change in the intensity of light emitted by a lamp. Immersion voltage: Sudden voltage reduction of 90% to 1% of the nominal, lasting 0.5 cycle to 1 minute. All Harmonics are defined as sinusoidal voltages with a frequency equal to an integer multiple of the fundamental (50Hz).

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ..6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ ΒΥΘΙΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΚΟΠΕΣ ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ FLICKER ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΦΑΣΕΩΝ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ ΘΟΡΥΒΟΣ (NOISE) ΠΤΩΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ (VOLTAGE SAGS) ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ (EMC) ΩΣ ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ...17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΡΑΧΩΝ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΣΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝ ΟΙ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ ΦΙΛΤΡΑ ΑΠΟΣΒΕΣΗΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ...46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΕΞΑΛΕΙΨΗ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΑ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΜΟΝΟΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΑ ΦΙΛΤΡΑ ΔΙΠΛΟΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΑ ΦΙΛΤΡΑ ( DOUBLE TUNED) ΒΑΘΥΠΕΡΑΤΑ ΦΙΛΤΡΑ ΑΠΟΣΒΕΝΟΜΕΝΑ ΦΙΛΤΡΑ ΑΠΟΣΒΕΝΟΜΕΝΑ ΦΙΛΤΡΑ ΤΥΠΟΥ C 66

6 3.8 ΕΝΕΡΓΑ ΦΙΛΤΡΑ.68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΕΠΙΤΟΠΙΑ ΕΡΕΥΝΑ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΚΑΤΑΓΡΑΦΟΥΝ ΚΑΙ Η ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΟΥΣ.74 ΕΠΙΛΟΓΟΣ...76 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...77

7 Κεφάλαιο : Βιβλιογραφια ΠΗΓΕΣ 1) ΚΤΙΡΙΑΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ, ΠΕΡΙΚΛΗΣ Δ. ΜΠΟΥΡΚΑΣ, ΑΘΗΝΑ ) M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, ) E. Styvaktakis, M.H.J. Bollen, Signatures of voltage dips: transformer saturation and multistage dips, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.18, no.1, pp , January ) F.D. Martzloff, Surge recordings that make sense: Shifting focu 5) E. Styvaktakis, M.H.J. Bollen, Signatures of voltage dips: transformer saturation and multistage dips, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.18, no.1, pp , January ) Ι.Κ. Χατζηλάου, Ι.Μ. Προυσαλίδης, Γ. Αντωνόπουλος, Ι.Κ. Γύπαρης, Π. Βαλλιανάτος, Εξελίξεις στην ηλεκτροπρόωση πλοίων και ανασκόπηση ζητημάτων σχεδιασμού στο "Πλήρως Εξηλεκτρισμένο Πλοίο", Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου ) Ι.Κ. Χατζηλάου, Γ. Γαλάνης, Ν. Πιρτζινίδης, Συστήματα Ηλεκτροπρόωσης Υποβρυχίων του ΠΝ, Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου ) Gallis R. M., 2004, American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition. 9) Ρωσσιάδου Κ., Μακρογιάννης Τ. Ι., Μπαλαφούτης Χ., Φλόκα Ε. Α., 2002: Αρμονική ανάλυση της μέσης ετήσιας κύμανσης της ατμοσφαιρικής πίεσης στον ελλαδικό χώρο. 6º Πανελλήνιο Συνέδριο Μετεωρολογίας, Κλιματολογίας και Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Ιωάννινα Σεπτεμβρίου 2002 Ηλεκτρονικά Ισχύος. Στέφανος Ν. Μανιάς Καθηγητής Ε.Μ.Π, Τόμος 1ος - 5 η Β Έκδοση 10) European Standard EN-50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, CENELEC, Brussels, Belgium, 1994 Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 77

8 Κεφάλαιο : Βιβλιογραφια 11) Electromagnetic Compatibility (EMC), IEC X-X. 12) IEEE Std 519, IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electrical systems, ) IEEE Std 1159, IEEE recommended practice for monitoring electric power quality, ) M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, ) Ιnformation Technology Industry Council web page: ν 16) S. Santoso, H.W. Beaty, R. Dugan, M.F. McGranaghan, Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Professional, 2nd Edition ) W.M. Grady and S. Santoso, Understanding Power System Harmonics EEE Power Engineering Review, pp. 8-11, November ) 19) The European Union On-line: 20) J. Arriilaga, D.A. Bradley, and P.S. Bodger, Power System Harmonics,New York: Wiley, ) N. Shepherd and P. Zand, Energy flow and power factor in nonsinusoidal circuits,cambridge University Press, ) George Wakileh, Power System Harmonics, Springer State Estimation In electric Power Systems, A. Monticelli, Kluwer Academic Publishers 23) ΤΑΣΙΟΣ Ν. Ποιότητα Ισχύος : Μελέτη και θεραπεία των αρμονικών συνιστωσών σε βιομηχανικό περιβάλλον ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ) The FFT-an algorithm the whole family can use, Daniel N. Rockmore, Departments of Mathematics and Computer Science, October 11, ) Έλεγχος AC/DC/AC Μετατροπέα Τριών Κλάδων για Λειτουργία Ενισχυτή σε Προσομοίωση Πραγματικού Χρόνου, Αλέξανδρος Ρήγας, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ 26) Ανάλυση της λειτουργίας εργαστηριακού πρωτότυπου μικροδικτύου, Χαράλαμπος Ι. Αναστόπουλος, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 78

9 Κεφάλαιο : Βιβλιογραφια 27) Μελέτη επίδρασης φωτοβολταϊκών σε δίκτυα Χ.Τ., Χρήστος Ε. Γκιλφέσης, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ 28) Ηλεκτρολογική εγκατάσταση και μετρητικό σύστημα φωτοβολταϊκού σταθμού μικρής ισχύος, Γεώργιος Α. Γιαννακόπουλος, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ 29) M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, ) Ι.Κ. Χατζηλάου, Γ. Γαλάνης, Ν. Πιρτζινίδης, Συστήματα Ηλεκτροπρόωσης Υποβρυχίων του ΠΝ, Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου ).Κ. Χατζηλάου, Γ. Γαλάνης, Ν. Πιρτζινίδης, Συστήματα Ηλεκτροπρόωσης Υποβρυχίων του ΠΝ, Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου ) Gallis R. M., 2004, American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition. 33) Van Duijsen P., December 2001, Simulation and «animation» of power electronics and electrical drives, PCIM Europe, ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΤΙΡΙΑΚΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ, ΠΕΡΙΚΛΗΣ Δ. ΜΠΟΥΡΚΑΣ, ΑΘΗΝΑ 2003 M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, E. Styvaktakis, M.H.J. Bollen, Signatures of voltage dips: transformer saturation and multistage dips, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.18, no.1, pp , January F.D. Martzloff, Surge recordings that make sense: Shifting focu Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 79

10 Κεφάλαιο : Βιβλιογραφια Ι.Κ. Χατζηλάου, Ι.Μ. Προυσαλίδης, Γ. Αντωνόπουλος, Ι.Κ. Γύπαρης, Π. Βαλλιανάτος, Εξελίξεις στην ηλεκτροπρόωση πλοίων και ανασκόπηση ζητημάτων σχεδιασμού στο "Πλήρως Εξηλεκτρισμένο Πλοίο", Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου Ι.Κ. Χατζηλάου, Γ. Γαλάνης, Ν. Πιρτζινίδης, Συστήματα Ηλεκτροπρόωσης Υποβρυχίων του ΠΝ, Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, Διήμερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου Gallis R. M., 2004, American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition. Ρωσσιάδου Κ., Μακρογιάννης Τ. Ι., Μπαλαφούτης Χ., Φλόκα Ε. Α., 2002: Αρμονική ανάλυση της μέσης ετήσιας κύμανσης της ατμοσφαιρικής πίεσης στον ελλαδικό χώρο. 6º Πανελλήνιο Συνέδριο Μετεωρολογίας, Κλιματολογίας και Φυσικής της Ατμόσφαιρας, Ιωάννινα Σεπτεμβρίου 2002 Ηλεκτρονικά Ισχύος. Στέφανος Ν. Μανιάς Καθηγητής Ε.Μ.Π, Τόμος 1ος - 5 η Β Έκδοση European Standard EN-50160, Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems, CENELEC, Brussels, Belgium, 1994 Electromagnetic Compatibility (EMC), IEC X-X. IEEE Std 519, IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electrical systems, IEEE Std 1159, IEEE recommended practice for monitoring electric power quality, M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, Ιnformation Technology Industry Council web page: ν S. Santoso, H.W. Beaty, R. Dugan, M.F. McGranaghan, Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Professional, 2nd Edition W.M. Grady and S. Santoso, Understanding Power System Harmonics EEE Power Engineering Review, pp. 8-11, November Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 80

11 Κεφάλαιο : Βιβλιογραφια The European Union On-line: J. Arriilaga, D.A. Bradley, and P.S. Bodger, Power System Harmonics,New York: Wiley,1985. N. Shepherd and P. Zand, Energy flow and power factor in nonsinusoidal circuits,cambridge University Press, George Wakileh, Power System Harmonics, Springer State Estimation In electric Power Systems, A. Monticelli, Kluwer Academic Publishers ΤΑΣΙΟΣ Ν. Ποιότητα Ισχύος : Μελέτη και θεραπεία των αρμονικών συνιστωσών σε βιομηχανικό περιβάλλον ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ 2006 The FFT-an algorithm the whole family can use, Daniel N. Rockmore, Departments of Mathematics and Computer Science, October 11, 1999 Έλεγχος AC/DC/AC Μετατροπέα Τριών Κλάδων για Λειτουργία Ενισχυτή σε Προσομοίωση Πραγματικού Χρόνου, Αλέξανδρος Ρήγας, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ Ανάλυση της λειτουργίας εργαστηριακού πρωτότυπου μικροδικτύου, Χαράλαμπος Ι. Αναστόπουλος, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ Μελέτη επίδρασης φωτοβολταϊκών σε δίκτυα Χ.Τ., Χρήστος Ε. Γκιλφέσης, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ Ηλεκτρολογική εγκατάσταση και μετρητικό σύστημα φωτοβολταϊκού σταθμού μικρής ισχύος, Γεώργιος Α. Γιαννακόπουλος, Διπλωματική Εργασία ΕΜΠ Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 81

12 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ Η ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΙΣΧΥΟΣ Η ποιότητα ισχύος (Power Quality) αφορά ένα μεγάλο αριθμό ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων. Καλύπτει φαινόμενα ήδη γνωστά,τα οποία όμως, αποκτούν διαφορετική και μεγαλύτερη σημασία στα μοντέρνα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας. H αυξανόμενη χρήση ηλεκτρονικών και ηλεκτρονικών ισχύος και γενικότερα συσκευών που είναι ευαίσθητες, αλλά συγχρόνως δημιουργούν και διαταραχές, η απελευθέρωση της αγοράς ενέργειας και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις του συστήματος καθιστούν την ποιότητα ισχύος σημαντική. Τόσο η ποιότητα της τάσης (voltage quality) καθώς και η ποιότητα ρεύματος (current quality) συνιστούν παράγοντες που επηρεάζουν την κανονική λειτουργία του δικτύου και έχουν μεγάλη οικονομική σημασία (1). Οι εταιρίες ηλεκτρισμού, σε όλο τον κόσμο, καλούνται να αποδείξουν ότι η παρεχόμενη ισχύς ικανοποιεί τις προϋποθέσεις εκείνες που εγγυώνται την λειτουργία των πελατών-φορτίων τους χωρίς προβλήματα. Παράλληλα οι καταναλωτές προσπαθούν να εξασφαλίσουν τις καλύτερες συνθήκες για τα φορτία τους ώστε να περιορίσουν οικονομικές απώλειες που προκαλούνται από προβλήματα στην παροχή ηλεκτρική ισχύος. Προδιαγραφές συντάσσονται από τους αρμόδιους οργανισμούς και λειτουργούν προς το παρόν, ως προτεινόμενα όρια. Η πρόβλεψη πάντως είναι ότι στο άμεσο μέλλον θα ισχύσουν ως δεσμευτικοί περιορισμοί για όλους τους εμπλεκόμενους με το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Το δίκτυο λειτουργεί ρυθμίζοντας τις παραμέτρους εκείνες που εξασφαλίζουν την αδιάκοπτη και οικονομική λειτουργία του (π.χ. ισχύς, τάση, συχνότητα). Η ποιότητα ισχύος είναι ένας όρος που συμπεριλαμβάνει τις μέχρι τώρα γνωστές απαιτήσεις, αλλά προσθέτει και άλλες, που αφορούν τα ειδικά χαρακτηριστικά των φορτίων. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι η ποιότητα ισχύος είναι μια θεώρηση των πραγμάτων με επίκεντρο τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας. Τα προβλήματα που καλύπτει είναι σημαντικά είτε γιατί συνδέονται με αυξημένο κόστος (για βιομηχανικούς καταναλωτές) είτε ακόμα και με ανθρώπινες ζωές όταν για παράδειγμα οι καταναλωτές είναι νοσοκομεία, αεροδρόμια κ.α. Τα σημαντικότερα φαινόμενα τα οποία καλύπτει ο όρος ποιότητας ισχύος είναι: Βυθίσεις Τάσης Διακοπές (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 7

13 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Υπερτάσεις (μικρής διάρκειας, μεγάλης διάρκειας) Φλίκερ Ασυμμετρία φάσεων Αρμονικές 1.1 ΒΥΘΙΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Βύθιση τάσης είναι η μικρής διάρκειας μείωση της ενεργού τιμής της τάσης κυρίως λόγω σφαλμάτων στο δίκτυο ή λόγω της σύνδεσης μεγάλων κινητήρων. Βύθιση της τάσης παρατηρείται επίσης και κατά την προσωρινή λειτουργία ενός μετασχηματιστή στην περιοχή κορεσμού της καμπύλης λειτουργίας του, λόγω των μεγάλων ασύμμετρων ρευμάτων που προκαλούνται (π.χ. κατά την ενεργοποίηση του) (2). Τα κύρια χαρακτηριστικά του φαινομένου της βύθισης τάσης είναι η διάρκεια του και το μέγεθος της τάσης. Για βυθίσεις τάσης που προκαλούνται από σφάλματα, το μέγεθος της τάσης εξαρτάται από την απόσταση του σφάλματος από το φορτίο, τις διασυνδέσεις του δικτύου καθώς και το πόσο δυνατό ή ασθενές είναι το δίκτυο (ισχύς βραχυκύκλωσης) στο PCC (point of common coupling - το σημείο όπου ενώνονται ηλεκτρικά το φορτίο, το σφάλμα και η παροχή ισχύος του δικτύου) (3). Ο τύπος του σφάλματος και οι συνδεσμολογίες των μετασχηματιστών μεταξύ του σφάλματος και του φορτίου είναι επίσης καθοριστικοί παράγοντες του μεγέθους της τάσης. Η διάρκεια εξαρτάται κυρίως από το πόσο γρήγορα θα λειτουργήσει το σύστημα προστασίας του δικτύου προκειμένου να απομονωθεί το τμήμα του δικτύου όπου εμφανίστηκε το σφάλμα. Οι χρόνοι που υπεισέρχονται εδώ είναι τόσο ο χρόνος εντοπισμού του σφάλματος (δηλαδή ο τύπος προστασίας που χρησιμοποιείται: ηλεκτρονόμοι αποστάσεως, διαφορική προστασία, ηλεκτρονόμοι υπερεύματος, ασφάλειες κτλ) καθώς και ο χρόνος λειτουργίας των συσκευών διακοπής του ρεύματος (διακόπτες ισχύος, ασφάλειες κτλ). Από την πλευρά της εταιρίας ηλεκτρισμού, προσπάθεια μείωσης του αριθμού βυθίσεων τάσης συνεπάγεται προσπάθεια μείωσης του αριθμού σφαλμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με συχνότερη συντήρηση και επιθεώρηση του δικτύου και του εξοπλισμού. Η χρήση υπόγειων καλωδίων αντί για εναέριες γραμμές μειώνει την συχνότητα σφαλμάτων λόγω κεραυνών. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 8

14 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Επίσης, βελτίωση των χρόνων λειτουργίας του συστήματος προστασίας μειώνει την διάρκεια των βυθίσεων τάσης. Αλλαγές στην τρόπο με τον οποίο συνδέεται το φορτίο με το δίκτυο μπορούν επίσης να μειώσουν την πτώση τάσης κατά την διάρκεια ενός σφάλματος (για παράδειγμα η σύνδεση από διαφορετικά σημεία του δικτύου). Από την πλευρά των καταναλωτών, βοήθεια μπορεί να αναζητηθεί σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (για παράδειγμα οι συσκευές αδιάλειπτης παροχής ενέργειας - UPS) ή υποστήριξης της τάσης (DVR). Η διεθνής εμπειρία δείχνει ότι για τους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές - PLC η χρήση συσκευών αδιάλειπτης παροχής ενέργειας είναι τις περισσότερες φορές απαραίτητη και οικονομικά τεκμηριωμένη. Για τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές οι συσκευές αδιάλειπτης παροχής ενέργειας είναι πλέον κοινή πρακτική (4). Μια μέτρηση βύθισης τάσης δίνεται στο Σχ. 1. Το φαινόμενο διαρκεί περίπου 200 msec και η τάση για μία από τις φάσεις μειώνεται στο 60% της ονομαστικής για αυτό το διάστημα. Για ηλεκτρονικούς υπολογιστές, PLC, ηλεκτρονικές συσκευές μετρήσεων κά, η καμπύλη ITIC (Ιnformation Technology Industry Council) δείχνει την τυπική αντοχή τους σε κλίμακα μεγέθους-διάρκειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να εξετασθεί το εάν μια βύθιση τάσης (ή μια υπέρταση) δημιουργεί πρόβλημα ή όχι, αλλά και ως προδιαγραφή για τους κατασκευαστές συσκευών. H ευαισθησία των υπολογιστών σε διαταραχές έχει κάνει την χρήση UPS (Uninterruptible Power Supply) κοινή πρακτική. Για μεγαλύτερα φορτία υπάρχουν διάφορες λύσεις οι οποίες μπορούν να προσφέρουν προστασία στα ευαίσθητα φορτία από βυθίσεις τάσης είτε υποστηρίζοντας την τάση για μικρό χρονικό διάστημα είτε μεταφέροντας τα φορτία σε άλλη «καθαρή» παροχή ισχύος. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 9

15 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Σχήμα 1. Μέτρηση βύθισης τάσης (α) Κυματομορφές τάσης (β) Η ενεργός τιμή της τάσης για κάθε φάση 1.2 ΔΙΑΚΟΠΕΣ Σύμφωνα με τις διεθνείς προδιαγραφές οι διακοπές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: μικρής διάρκειας (μικρότερης από 3 λεπτά) και μεγάλης διάρκειας (μεγαλύτερης από 3 λεπτά). Οι διακοπές μεγάλης διάρκειας οφείλονται είτε σε κάποιο σοβαρό σφάλμα, το οποίο δεν καθάρισε με την λειτουργία του συστήματος προστασίας και χρειάζεται αποκατάσταση επιτόπου, είτε λόγο προγραμματισμένων εργασιών συντήρησης στο δίκτυο. (5) Οι διακοπές μικρής διάρκειας προέρχονται από την λειτουργία διακοπτών αυτόματης επαναφοράς (reclosers) και επαναφορά του δικτύου μετά από σφάλμα. Η διαδικασία αυτή είναι συνηθισμένη σε δίκτυα διανομής και εφαρμόζεται διότι μεγάλο ποσοστό των σφαλμάτων δεν είναι μόνιμα και εξαφανίζονται μετά την λειτουργία του συστήματος προστασίας. Οι διακοπές μπορούν να θεωρηθούν ειδική περίπτωση βυθίσεων τάσης (όπου η τάση γίνεται μηδέν) και όσο αφορά την επίδραση τους στα φορτία ισχύει ότι και για την επίδραση των βυθίσεων τάσης. Σε εργοστασιακό περιβάλλον μία διακοπή μπορεί να προκαλέσει καταστροφική διακοπή της παραγωγικής αλυσίδας αυξάνοντας τον αριθμό των προϊόντων που απορρίπτονται ή των υλικών που απομακρύνονται. Σε μερικές περιπτώσεις, οι διακοπές μπορεί να αυξήσουν τον κίνδυνο να καταστραφούν οι συσκευές ή ακόμα και τον τραυματισμό του προσωπικού. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 10

16 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για την αποφυγή προβλημάτων από τις διακοπές είναι η εγκατάσταση συστημάτων UPS και ηλεκτροπαραγωγών ζευγών. Βελτίωση από την μεριά του δικτύου μπορεί να επιτευχθεί μειώνοντας αφενός την συχνότητα των σφαλμάτων και αφετέρου μειώνοντας την διάρκεια των διακοπών. Μείωση της διάρκειας των διακοπών μπορεί να γίνει με αξιοποίηση των μοντέρνων συστημάτων προστασίας. Σχήματα τα οποία προβλέπουν την ανταλλαγή πληροφοριών μέσω τηλεπικοινωνιακών συστημάτων αυξάνουν την αποτελεσματικότητα στον εντοπισμό του σφάλματος, επιταχύνουν τους χρόνους προστασίας αλλά και μειώνουν τον χρόνο αποκατάστασης σφαλμάτων. (6) Σχήμα 2. Καμπύλη ITIC (υπό συνθήκες υπέρτασης η συσκευή κινδυνεύει από βλάβη, ενώ υπό συνθήκες μειωμένης τάσης η συσκευή ενδέχεται να σταματήσει να λειτουργεί)(7) 1.3 ΥΠΕΡΤΑΣΕΙΣ Οι παροδικές υπερτάσεις είναι στιγμιαίες ανυψώσεις της τάσης (το αντίθετο των βυθίσεων). Οι ίδιοι παράμετροι που χρησιμοποιούνται για κατηγοριοποίηση των βυθίσεων χρησιμοποιούνται και για την κατηγοριοποίηση των παροδικών ανυψώσεων. Οι υπερτάσεις που εμφανίζονται κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός δικτύου μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα επικίνδυνες για τον εξοπλισμό του αλλά και για τα φορτία. Υπερτάσεις προκαλούνται από κεραυνούς (και μπορεί να οδηγήσουν σε σφάλματα), ή λόγω προβλημάτων σε διακόπτες ισχύος. Υπερτάσεις μεγαλύτερης διάρκειας εμφανίζονται κατά την διάρκεια μονοφασικών σφαλμάτων σε αγείωτα δίκτυα ή δίκτυα γειωμένα μέσω σύνθετης αντίστασης (voltage swells). Οι υπερτάσεις στην χειρότερη περίπτωση ισούνται με την πολική τάση του δικτύου, εμφανίζονται στις υγιείς φάσεις και διαρκούν όσο διαρκεί το σφάλμα. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 11

17 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Οι τρόποι επίλυσης θα μπορούσαν να είναι οι ίδιοι με αυτούς για τις βυθίσεις. Όμως λόγω της μικρής συχνότητας και έκτασης του φαινομένου στην πράξη δεν λαμβάνονται κάποια μέτρα αποκλειστικά για αυτό το πρόβλημα. Ενέργειες που γίνονται και για άλλες διαταραχές εξομαλύνουν και τα αποτελέσματα αυτών των διαταραχών.(8) 1.4 FLICKER Το Flicker (φλίκερ), ή αλλιώς γρήγορη διακύμανση της τάσης που οδηγεί σε τρεμόπαιγμα στο φως, είναι μία οπτική ενόχληση λόγω αστάθειας της έντασης του φωτός (τρεμόπαιγμα). Η διακύμανση του πλάτους της τάσης είναι συνήθως σε επίπεδο χαμηλότερο του 3% της παρεχόμενης τάσης και δεν έχει κάποια αξιοπρόσεκτη επίδραση στον εξοπλισμό. Αυτή η διακύμανση ωστόσο μπορεί να προκαλέσει ενόχληση στα μάτια. Το επίπεδο της ενόχλησης εξαρτάται από την συχνότητα και το πλάτος της αλλαγής της έντασης του φωτός και από τον παρατηρητή (δεν αντιλαμβάνονται όλοι την ίδια ενόχληση στην ίδια διακύμανση της τάσης). Κύρια πηγή δημιουργίας του φαινομένου της διακύμανσης της τάσης είναι τα ηλεκτρικά τόξα των ηλεκτρικών κλιβάνων, οι μηχανές συγκόλλησης και παρόμοια «βαριά» φορτία που καταναλώνουν ρεύματα με μεγάλη διακύμανση. Φλίκερ μπορεί να εμφανιστεί με την παρουσία ενδιάμεσων αρμονικών σε μία συχνότητα κοντά στην θεμελιώδη ή και σε αρμονική. (9) Οι διακυμάνσεις τάσεως προκαλούνται όταν τα φορτία καταναλώνουν ρεύματα που έχουν σημαντικές αιφνίδιες ή περιοδικές διακυμάνσεις. Το κυμαινόμενο ρεύμα που καταναλώνεται από την παροχή προκαλεί πρόσθετες μειώσεις τάσεως στο σύστημα τροφοδοσίας, που οδηγούν σε διακυμάνσεις της παρεχόμενης τάσης. (10). Τα φορτία που παρουσιάζουν συνεχείς, γρήγορες διακυμάνσεις (όπως ηλεκτρικοί κάμινοι, ηλεκτροσυγκολλητές, εγκαταστάσεις με συχνές εκκινήσεις κινητήρων, μονάδες κλιματισμού, ανεμιστήρες, μηχανισμοί κινητήρων με κυκλική λειτουργία, ελασματουργεία, μηχανήματα με μεγάλες αλλαγές ταχύτητας των κινητήρων, πριόνια και μηχανήματα διάλυσης αυτοκινήτων) είναι λοιπόν εκείνα που πιθανότατα θα προκαλέσουν διακυμάνσεις τάσεως Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 12

18 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Οι συχνές, γρήγορες διακυμάνσεις σε ρεύματα φορτίου αποδίδονται στις λειτουργίες εκκίνησης κινητήρων, όπου το ρεύμα του κινητήρα συνήθως είναι 3-5 φορές το ονομαστικό ρεύμα για μία σύντομη χρονική περίοδο. Εάν ένας αριθμός κινητήρων τίθεται σε λειτουργία την ίδια ώρα, ή αν ο ίδιος κινητήρας ξεκινά και σταματά επανειλημμένα, η συχνότητα των αλλαγών της τάσεως μπορεί να προκαλέσει μαρμαρυγή (τρεμοπαίξιμο) στις εγκαταστάσεις φωτισμού, που θα είναι ορατή με γυμνό μάτι. 1.5 ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΦΑΣΕΩΝ Σε ένα συμμετρικό τριφασικό σύστημα παροχής, οι φασικές τάσεις των τριών γραμμών είναι ίσες σε μέγεθος και διαφέρουν ανά φάση μεταξύ τους κατά 120 (το ίδιο συμβαίνει και για τις πολικές με διαφορετικά μέτρα και γωνίες από τις φασικές αλλά ίσα μεταξύ τους και γωνίες μεγαλύτερες κατά 30 από τις αντίστοιχες φασικές) (11). Ασυμμετρία τάσεως εμφανίζεται όταν είτε υπάρχει διαφορά στην ενεργό τιμή της τάση μεταξύ των φάσεων είτε επειδή η γωνία μεταξύ των φάσεων αποκλίνει από τις ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Φορτία με μεγάλες μεταβολές στην ένταση του ρεύματος που καταναλώνουν, προκαλούν διακυμάνσεις στην τάση, οι οποίες έχει επικρατήσει διεθνώς να ονομάζονται flicker (δηλαδή τρεμόσβησμα) διότι προκαλούν εναλλαγές στην ένταση του φωτισμού. Οι διακυμάνσεις αυτές δεν ξεπερνούν τα τυπικά όρια. Τυπικό παράδειγμα φορτίου που προκαλεί τέτοιου είδους προβλήματα είναι οι κλίβανοι τόξου. Η διακύμανση της τάσης μπορεί να ειδωθεί σαν μια διαμόρφωση της θεμελιώδους συχνότητας (50 Hz) από ένα σήμα μικρότερης συχνότητας. Επομένως ένας τρόπος χαρακτηρισμού του φαινομένου είναι μέσω του πλάτους του σήματος αυτού. Διαμόρφωση έως και 0.5% του πλάτους της τάσης στα 50 Hz μπορεί να προκαλέσει αντιληπτές αλλαγές στην ένταση φωτισμού εάν η συχνότητα διαμόρφωσης είναι 6-8 Ηz. Συσκευές δυναμικής αντιστάθμισης της αέργου ισχύος (διατάξεις πυκνωτών, πηνίων και ηλεκτρονικών ισχύος) μπορούν να περιορίσουν σημαντικά τα προβλήματα βελτιώνοντας παράλληλα τον συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης (12). Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 13

19 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Η ποιότητα ισχύος είναι συνυφασμένη με τις μετρήσεις. Οι μετρήσεις είναι απαραίτητες για τη συλλογή στοιχείων, τα οποία είτε θα δώσουν στατιστικά την εικόνα της λειτουργίας του συστήματος είτε θα εντοπίσουν ένα πρόβλημα και θα συνεισφέρουν στη λύση του. Οι μετρήσεις, ανάλογα με τον στόχο τους, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες : Α. Μετρήσεις για την επίλυση προβλήματος Ποιότητας Ισχύος Η λύση του προβλήματος, το οποίο παρουσιάστηκε σε έναν καταναλωτή μπορεί να βρεθεί με την εκπόνηση μελέτης που ξεκινά από την καταγραφή και ανάλυση της ποιότητας ισχύος του ηλεκτρικού συστήματος και καταλήγει στην επιλογή κάποιας μεθόδου βελτίωσής της ή προστασίας του φορτίου, αν βέβαια αποδειχθεί από την ανάλυση ότι η αιτία του προβλήματος βρίσκεται στα χαρακτηριστικά της τάσης και του ρεύματος του δικτύου. Πιο αναλυτικά, τα βήματα μιας τέτοιας μελέτης είναι : Μετρήσεις: χρησιμοποίηση καταγραφικών μηχανημάτων για συλλογή στοιχείων που αφορούν το πρόβλημα. Η καταγραφή των δεδομένων του δικτύου είναι απαραίτητη σε αυτή τη φάση προκειμένου να αξιοποιηθούν οι μετρήσεις όσο το δυνατόν περισσότερο. Ανάλυση: η επεξεργασία των μετρήσεων είναι το επόμενο βήμα. Η ανάλυση μπορεί να βοηθήσει όχι μόνο στον εντοπισμό του προβλήματος αλλά και στην απόκτηση των παραμέτρων που χρειάζονται για τη λύση του. Η ανάλυση των μετρήσεων μπορεί να συνδυαστεί με την ανάλυση του δικτύου. Προγράμματα προσομοίωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επακριβή μελέτη του φαινομένου που προκαλεί το πρόβλημα. Διερεύνηση λύσεων: τα μέτρα τα οποία θα ληφθούν για τη λύση του προβλήματος πρέπει να εξετασθούν προσεκτικά από τεχνικής και οικονομικής άποψης. Η χρήση προγραμμάτων προσομοίωσης μπορεί και εδώ να φανεί πολύτιμη. Μετρήσεις για την αξιολόγηση της λύσης: αν τελικά η προτεινόμενη λύση πραγματοποιηθεί, μετρήσεις πρέπει να γίνουν εκ νέου για να διαπιστωθεί σε ποιο βαθμό η λύση είναι αποτελεσματική. Για παράδειγμα: για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που προκαλούνται από αρμονικές απαιτείται μελέτη ώστε να αποτυπωθούν οι αρμονικές που υπάρχουν στο σύστημα και να βρεθεί από πού προέρχονται. Αν αποφασισθεί η χρήση φίλτρου, απαιτείται ιδιαίτερη Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 14

20 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος προσοχή στην επιλογή των χαρακτηριστικών του, διότι υπάρχει κίνδυνος αντί να μειωθεί το πρόβλημα των αρμονικών αυτό να αυξηθεί. Ομοίως, η εγκατάσταση νέου πυκνωτή πρέπει να γίνεται αφού πρώτα διαπιστωθεί μέσω μελέτης ότι οι επικρατούσες αρμονικές δεν συμπίπτουν με τις συχνότητες συντονισμού που δημιουργεί ο πυκνωτής. Β. Μετρήσεις μεγάλης διάρκειας με μόνιμα εγκατεστημένες μετρητικές συσκευές Τέτοιες μετρήσεις αφορούν τόσο τις εταιρίες ηλεκτρισμού όσο και μεγάλους καταναλωτές (βιομηχανικούς) και καταναλωτές με ειδικές απαιτήσεις (νοσοκομεία, αεροδρόμια κ.ά.). Η διαθέσιμη τεχνολογία προσφέρει μεγάλες δυνατότητες. Καταγραφικές συσκευές οι οποίες συνδέονται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία του Internet, μπορούν να τοποθετηθούν και να προσφέρουν διαρκώς πληροφορίες για την ποιότητα ισχύος του δικτύου και τυχόν προβλήματα που προκύπτουν. Για τις εταιρίες ηλεκτρισμού η υλοποίηση μετρητικών προγραμμάτων με την εγκατάσταση και λειτουργία μετρητικών συσκευών παρέχει την δυνατότητα καταγραφής της υπάρχουσας κατάστασης (προκειμένου να υπάρχει μια βάση για σύγκριση με την πάροδο του χρόνου). Επίσης βελτιώνεται η επικοινωνία με τους πελάτες και παράλληλα συγκεντρώνονται πληροφορίες για τη λύση προβλημάτων τους. Γενικότερα οι μετρήσεις προσφέρουν: Άμεση εποπτεία του δικτύου και των λειτουργιών του (λειτουργία διακοπτών, λειτουργία προστασίας, ρύθμιση τάσης), Ταχύ εντοπισμό υπαρχόντων προβλημάτων ή προβλημάτων σε εξέλιξη και προληπτική δράση (οργάνωση προληπτικής συντήρησης), Εποπτεία κρίσιμων εφαρμογών, Αξιολόγηση τεχνικών λύσεων και δυνατότητα βελτίωσής τους και Εξοικονόμηση ενέργειας μέσω συνεχούς εποπτείας της κατανάλωσης και των σχετικών παραμέτρων. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 15

21 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος 1.7 ΘΟΡΥΒΟΣ (NOISE) Ο θόρυβος, ή πιο συγκεκριμένα ο ηλεκτρικός θόρυβος, είναι μία συνεχής και ταχεία εμφάνιση μεταβατικών φαινομένων, τα οποία παραμορφώνουν την πρότυπη κυματομορφή τάσης αυξομειώνοντας τις τιμές της. Το μέγεθος αυτών των ταχέων μεταβατικών φαινομένων είναι συνήθως πολύ μικρότερο από αυτό των μεμονωμένων μεταβατικών φαινομένων. Ο θόρυβος προέρχεται κυρίως από ηλεκτροκινητήρες και συσκευές ελέγχου κινητήρων, ηλεκτρικούς φούρνους, ηλεκτρικές συγκολλήσεις, ρελέ, απομονωμένους ατμοσφαιρικούς αποφορτιστές. Παρόλο που ο θόρυβος θεωρείται λιγότερο επικίνδυνη διαταραχή από ένα μεγάλης έντασης μεταβατικό φαινόμενο, σε αρκετές περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές, σε εξοπλισμό τηλεπικοινωνιών και σε άλλες ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές. 1.8 ΠΤΩΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ (VOLTAGE SAGS) Η πτώση τάσης είναι μια μικρής διάρκειας μείωση στις τιμές της τάσης του εναλλασσόμενου ρεύματος. Πτώσεις τάσης χρονικής διάρκειας μεγαλύτερης από δύο λεπτά, συνήθως κατηγοριοποιούνται ως υποτάσεις (undervoltage). Συνήθεις αιτίες για πτώσεις τάσης και υποτάσεις είναι σφάλματα δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, εκκινήσεις κινητήρων και εισροές μεγάλων φορτίων στο σύστημα διανομής ενέργειας. Οι πτώσεις τάσης μπορούν να προκαλέσουν τη δυσλειτουργία ή και τη διακοπή της λειτουργίας πολλών ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών. Οι συνθήκες υπότασης μπορούν να βλάψουν διάφορους τύπους ηλεκτρικών συσκευών. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 16

22 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος 1.9 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑ (EMC) ΩΣ ΕΝΝΟΙΑ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Όπως γνωρίζουμε η ηλεκτρική ενέργεια αποτελεί εμπορικό προϊόν και για αυτόν ακριβώς το λόγο για να διατεθεί στο καταναλωτικό κοινό πρέπει να πληρεί ορισμένες προϋποθέσεις με σκοπό να μην δημιουργεί προβλήματα στις ηλεκτρικές συσκευές του καταναλωτή. Αντίστοιχα, οι ηλεκτρικές συσκευές που συγκεκριμένα προορίζονται για την κατανάλωση της ανωτέρω ενέργειας είναι αναγκαίο να πληρούν και αυτές κάποιες άλλες προϋποθέσεις έτσι ώστε να μην δημιουργούν προβλήματα στο δίκτυο. Στην πρώτη περίπτωση λοιπόν γίνεται λόγος για κανονισμούς που δεσμεύεται να τηρεί ο παραγωγός διανομέας της ηλεκτρικής ενέργειας ενώ στην δεύτερη ο κατασκευαστής μια ηλεκτρικής συσκευής. Η εναρμόνιση των ανωτέρω δύο είναι επιτακτική και σε διεθνές επίπεδο (και ιδιαίτερα λόγω παγκοσμιοποίησης) με την έννοια ότι μια ηλεκτρική συσκευή, οπουδήποτε και αν κατασκευάζεται, πρέπει από τη μία πλευρά να λειτουργεί ασφαλώς σε οποιοδήποτε ηλεκτρικό δίκτυο (ακόμα και αν απαιτείται μετατροπή συχνότητας τάσης) και από την άλλη πλευρά να μη προξενεί προβλήματα ποιότητας ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο. Πρόκειται λοιπόν για τεχνικούς κανονισμούς, πρότυπα, τα οποία μπορούν να θεσπίζονται τόσο σε εθνικό επίπεδο από εθνικούς οργανισμούς όπως ο ΕΛΟΤ για την Ελλάδα, όσο και σε διεθνές (13). Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 17

23 Κεφάλαιο 1: Η ποιότητα ισχύος Σχήμα 3 εναρμόνιση των διαταραχών του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας με το περιθώριο ατρωσίας των ηλεκτρικών διατάξεων Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 18

24 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Η ύπαρξη αρμονικών στη τάση και την ένταση (υπέρθεση συχνοτήτων πολλαπλάσιων της θεμελιώδους - 50 Hz) οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, όπου το ρεύμα έχει διαφορετική κυματομορφή από αυτήν της τάσης. Μέσω της τάσης και σε συνάρτηση με την ισχύ βραχυκυκλώσεως του δικτύου, οι αρμονικές που παράγονται σε ένα σημείο μεταδίδονται και μπορούν να δημιουργήσουν προβλήματα σε άλλα φορτία. Μη γραμμικά φορτία υπάρχουν τόσο σε οικιακούς όσο και σε βιομηχανικούς καταναλωτές. Τέτοια είναι (15): Φορτία με ηλεκτρονικά ισχύος: ανορθωτές, PLC, κ.ά. Φορτία που χρησιμοποιούν ηλεκτρικό τόξο: φούρνοι τόξου και λάμπες φθορισμού Φορτία που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά: τηλεοράσεις, φούρνοι μικροκυμάτων, φωτοαντιγραφικά, ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εκτυπωτές κλπ. Εξαιτίας των αρμονικών ενδέχεται να λειτουργήσουν λανθασμένα συσκευές προστασίας, ειδικά αυτές που χρησιμοποιούν θερμικά μοντέλα. Αν ο υπολογισμός της ενεργού τιμής της έντασης γίνεται χρησιμοποιώντας τη μέγιστη τιμή της κυματομορφής της, αυξάνεται η πιθανότητα λάθους και ανεπιθύμητης λειτουργίας της προστασίας. Για τον ίδιο λόγο λάθη παρουσιάζονται σε μετρητικές συσκευές. Οι αρμονικές επίσης είναι η αιτία για προβλήματα στη λειτουργία ηλεκτρονικών συστημάτων. Επίσης προκαλούν υπερφόρτιση (δηλαδή υπερθέρμανση) και αυξάνουν τις δονήσεις και το θόρυβο (μηχανική καταπόνηση) στον εξοπλισμό (μετασχηματιστές, μηχανές και πίνακες). Μακροχρόνια οι αρμονικές προκαλούν πρόωρη γήρανση του εξοπλισμού. Επίσης, καθώς προστίθενται τα αρμονικά ρεύματα στον αγωγό ουδετέρου, δίνουν ρεύματα κατά πολύ μεγαλύτερα από όταν τα φορτία είναι γραμμικά, με αποτέλεσμα την υπερθέρμανση. Οι πυκνωτές είναι επίσης ευαίσθητοι στις αρμονικές ιδιαίτερα αν η συχνότητα του συνδυασμού πυκνωτή και δικτύου παροχής μέχρι το σημείο σύνδεσης είναι ίδια με την αρμονική που παράγεται από το φορτίο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες προκαλείται συντονισμός, αύξηση του πλάτους των αρμονικών, αύξηση της ενεργού τάσης και έντασης, υπερθέρμανση του πυκνωτή Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 20

25 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες και ενδεχομένως καταστροφή του διηλεκτρικού του υλικού ή λειτουργία της προστασίας του και αποσύνδεσή του. Σχήμα 4 Κυματομορφή με αρμονική παραμόρφωση Οι αρμονικές συνδέονται άμεσα με τον συντελεστή ισχύος. Ο πραγματικός συντελεστής ισχύος (αυτός για τον οποίο καλούνται να πληρώσουν οι βιομηχανικοί καταναλωτές) είναι ο μέσος όρος της ενεργού ισχύος προς το γινόμενο της ενεργού τάσης με την ενεργό ένταση. Σε περιβάλλον χωρίς αρμονικές ο πραγματικός συντελεστής ισχύος (ΣΙ) ισούται με το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ της τάσης και της έντασης (ΣΙ μετατόπισης). Η ύπαρξη αρμονικών οδηγεί σε μείωση του πραγματικού ΣΙ καθώς αυξάνεται η ενεργός τάση αλλά κυρίως η ενεργός ένταση. Ο πίνακας 3 δείχνει την επίδραση των αρμονικών στον πραγματικό ΣΙ για ένα ιδανικό φορτίο με ΣΙ μετατόπισης ίσο με 1. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένδειξη της αύξησης των απωλειών στο δίκτυο λόγω των αρμονικών (16) Για τη μείωση των αρμονικών μπορούν να χρησιμοποιηθούν φίλτρα (συνδυασμός πυκνωτών και πηνίων), τα οποία παγιδεύουν τις αρμονικές και δεν τους επιτρέπουν να διεισδύσουν στο δίκτυο. 2.1 ΟΡΙΣΜΟΣ Οποιαδήποτε περιοδική απόκλιση από την καθαρά ημιτονική μορφή της τάσης μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα άθροισμα από καθαρά συνημίτονα με συχνότητα ίση με την ονομαστική και ακέραια πολλαπλάσια αυτής. Η ονομαστική συχνότητα ονομάζεται θεμελιώδης συχνότητα. Μία ημιτονική κυματομορφή με συχνότητα k φορές μεγαλύτερη από την θεμελιώδη Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 21

26 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες (το k είναι ακέραιος αριθμός) καλείται αρμονική διαταραχή. Ο λόγος μεταξύ της αρμονικής συχνότητας και της θεμελιώδης συχνότητας (k) καλείται τάξη της αρμονικής. Σχήμα 5 Ανάλυση ημιτονοειδούς σήματος, όπου διακρίνονται οι αρμονικές 1ης, 3ης, 5ης και 7ης τάξης Η παρουσία αρμονικών υπολογίζεται μέσω του δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης (THD) (Τotal Ηarmonic Distortion). Αρμονικές της τάσης καταγράφονται με τον δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης της τάσης (THDU). Ο THDU είναι ο λόγος της ενεργού τιμής της αρμονικής τάσης προς την ενεργό τιμή της τάσης της θεμελιώδους συχνότητας, όπως φαίνεται και από την εξίσωση 2.1. Ο THD συχνά δίνεται σαν ποσοστό. THDV = 40 2 Vk k = 2 = 2 V cv k k = 2 2 c V 1 (2.1) Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 22

27 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες cv V k k = όπου 2 η ενεργός τιμή της τάσης της αρμονικής τάξεως k, V 1 η ενεργός τιμή της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας, c V k της τάσης της θεμελιώδους συνιστώσας. c το πλάτος της τάσης της αρμονικής τάξεως k και V 1 το πλάτος Στο Σχήμα 6 (a) παρουσιάζεται μία τυπική κυματομορφή παρεχόμενης τάσης σε μία κατοικημένη περιοχή ή ένα ελαφρά (από άποψη ηλεκτρικών φορτίων) εργοστασιακό περιβάλλον. Συσκευές διακοπτικής λειτουργίας προκαλούν μία επιπεδοποίηση της κορυφής της κυματομορφής.(17) Στο διάγραμμα του Σχήματος 6 (b) φαίνεται το φάσμα της συχνότητας και δείχνει την παραμόρφωση της μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής που προκύπτει από τις αρμονικές της τάσης. Κάθε αρμονική μπορεί να εκφραστεί με το πλάτος της (ck) την ενεργό τιμή της τάσης (Uk) και μία ποσοστιαία τιμή (uk). Η ποσοστιαία αναπαράσταση είναι αυτή που χρησιμοποιείται συχνότερα σε θέματα ποιότητας ισχύος. Για τις ανάγκες μέτρησης της ποιότητας ισχύος η μέγιστη τάξη της μετρούμενης αρμονικής θα μπορούσε να μειωθεί στην 50η τάξη, πράγμα που σημαίνει 2500Hz για ένα δίκτυο συχνότητας 50Hz. Διαφορά φάσης μεταξύ των αρμονικών και της θεμελιώδους τάσης δεν θεωρείται σαν πρόβλημα της ποιότητας ισχύος. Παρόλα αυτά, διαφορά φάσης μεταξύ αρμονικών ρευμάτων και τάσεων της ίδιας τάξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια γεννήτρια αρμονικής παραμόρφωσης Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 23

28 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Σχήμα 6 Φασματική απεικόνιση μιας συνήθους κυματομορφής τάσης, καλούμενης κι ως πριονισμένης κορυφής Ότι παρουσιάστηκε για την αρμονική παραμόρφωση της τάσης και τον δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης THDU μπορεί ανάλογα να χρησιμοποιηθεί και για την αρμονική παραμόρφωση του ρεύματος και τον δείκτη δείκτη ολικής αρμονικής παραμόρφωσης THDI, ο οποίος δίνεται από την εξίσωση 2.2 THDI = 40 2 Ik k = 2 = 2 I ci k k = 2 2 c I 1 (2.2) ci I k k = όπου 2 η ενεργός τιμή της αρμονικής ρεύματος τάξης k, I η ενεργός τιμή του ρεύματος 1 της θεμελιώδους συνιστώσας, πλάτος του ρεύματος της θεμελιώδους συνιστώσας. c I k c το πλάτος του ρεύματος της αρμονικής τάξεως k και I 1 το Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 24

29 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες 2.2 ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ Τάσεις ή ρεύματα που έχουν συχνότητα η οποία δεν είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της συχνότητας με την οποία το σύστημα τροφοδοσίας είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί (50 ή 60 Hz) καλούνται ενδιάμεσες αρμονικές. Οι ενδιάμεσες αρμονικές είτε έχουν διακριτές συχνότητες είτε εμφανίζονται σε ζώνη συχνοτήτων και μπορούν να βρεθούν σε δίκτυα όλων των τάξεων τάσης. Οι συνήθεις πηγές της διαταραχής των ενδιάμεσων αρμονικών είναι στατικοί μετατροπείς συχνότητας, κυκλομετατροπείς (cycloconverters), επαγωγικοί κινητήρες και συσκευές εκκενώσεως τόξου. Οι επιπτώσεις των ενδιάμεσων αρμονικών δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητές για αυτό και δεν θα αναλυθούν περαιτέρω. Έχει αποδειχθεί πάντως ότι επηρεάζουν τις γραμμές μεταφοράς και προκαλούν οπτική αστάθεια (flicker) σε οθόνες και αλλά οπτικά μέσα, όπως σωλήνες καθοδικών ακτίνων (CRTs) (18). Στο Σχήμα 7 φαίνεται η αρχή της δημιουργίας των αρμονικών. Κοιτώντας το κύκλωμα από την πλευρά του καταναλωτή το ισοδύναμο κύκλωμα του υπόλοιπου δικτύου (ισοδύναμο Thevenin) μπορεί να αναπαρασταθεί από μία γεννήτρια G με αντίδραση Xs (σε περίπτωση άπειρου δικτύου δεν θα υπήρχε αντίδραση και οποιαδήποτε μεταβολή και αν γινόταν στο ρεύμα δεν θα ήταν αντιληπτή στο φορτίο). Η τάση της γεννήτριας θεωρείται σαν μία καθαρά ημιτονοειδής τάση με ονομαστική ενεργό τιμή. Η τάση στα άκρα του φορτίου του καταναλωτή διαφέρει από την τάση της γεννήτριας στην πτώση τάσης στην αντίδραση Xs του ισοδύναμου κυκλώματος. Στην περίπτωση ενός γραμμικού φορτίου το ρεύμα και κατ επέκταση η πτώση τάσης στην αντίδραση θα είναι επίσης ημιτονοειδής. Η τάση στα άκρα του καταναλωτή θα έχει και αυτή ημιτονοειδή μορφή τάσης με λίγο μειωμένο πλάτος, αλλά την ίδια φάση με αυτή της πηγής (19). Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 25

30 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Σχήμα 7 Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Μη γραμμικά φορτία (ανορθωτές, οδηγοί ταχύτητας μηχανών, φωτισμός φθορίου, υπολογιστές, τηλεοράσεις) απορροφούν ρεύμα με μεγάλο συντελεστή THDI (αισθητά μη ημιτονοειδής μορφή τάσης). Για λόγους καλύτερης ανάλυσης, τα μη γραμμικά φορτία θα μπορούσαν να αναπαρασταθούν σαν γραμμικά φορτία μαζί με μία γεννήτρια αρμονικών (Σχήμα 7). Οι αρμονικές του ρεύματος προκαλούν μία μη-ημιτονοειδή πτώση τάσης στην αντίδραση του ισοδύναμου κυκλώματος Xs και κατ επέκταση μία μη-ημιτονοειδή παραμόρφωση στην παρεχόμενη τάση από την πηγή, όπως αυτή φαίνεται στα άκρα του φορτίου. Μη-γραμμικά φορτία διαταράσσουν την παρεχόμενη τάση κατά τέτοιο τρόπο που μόνο αρμονικές περιττής τάξης μπορούν να μετρηθούν με μετρητικά όργανα. Σχήμα 8 Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος με μη γραμμικό φορτίο, όπου με G συμβολίζονται τα στοιχεία της γεννήτριας, με s οι αντιδράσεις των ισοδυνάμων Thevenin και L τα στοιχεία του καταναλωτή. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 26

31 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Αν το φορτίο είναι μη-συμμετρικά ελεγχόμενο, τότε η θετική ημιπερίοδος του ρεύματος μπορεί να διαφέρει από την αρνητική με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν άρτιας τάξης αρμονικές και επίσης DC συνιστώσα. Αυτή η κατάσταση προκαλεί κορεσμό και υπερθερμάνσεις στον πυρήνα των μετασχηματιστών. 2.3 ΠΗΓΕΣ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΡΑΧΩΝ Μερικές από τις πηγές των αρμονικών που εμφανίζονται στα δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι: Στρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές: Οι αρμονικές οφείλονται στις οδοντώσεις του πυρήνα και στις ατέλειες των μαγνητικών κυκλωμάτων τους Ρεύματα μαγνήτισης των Μ/Σ: Οι αρμονικές οφείλονται στο μαγνητικό κορεσμό των πυρήνων και στη μαγνητική υστέρηση Σιδηροσυντονισμός: Οι αρμονικές οφείλονται σε ισχυρό μη γραμμικό φαινόμενο προκαλούμενο από την αλληλεπίδραση μη γραμμικής επαγωγικής αντίδρασης (για παράδειγμα ένας μετασχηματιστής) με τη χωρητικότητα του συστήματος. Συχνά υπερισχύουν οι συχνότητες του 1/3 ή 1/5 της βασικής και εμφανίζεται σαν υποαρμονικό φαινόμενο με υπερτάσεις, μεγάλα ρεύματα, παραμόρφωση κυματομορφών κλπ. Μη γραμμικότητες δικτύου: Προκύπτουν από φορτία όπως ανορθωτές, μετατροπείς, κλίβανοι ηλεκτρικού τόξου, μηχανήματα ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου, λαμπτήρες αερίου, ελεγκτές τάσης, μετατροπείς συχνότητας κ.ά Τριφασικά φορτία : εισάγουν κυρίως αρμονικές περιττής τάξεως (5 η, 7 η, 11 η, 13 η, 17 η αρμονική) Συσκευές που συνδυάζουν ημιαγωγούς και συστήματα διακοπής (για εξοικονόμηση ενέργειας). Συσκευές ελέγχου των κινητήρων σε εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας έλξης (π.χ. ηλεκτρικοί σιδηρόδρομοι) Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 27

32 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Συσκευές μετατροπής και μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος με συνεχές ρεύμα. υψηλής τάσεως Ηλιακά και αιολικά συστήματα μικρής ισχύος με τους αντίστοιχους μετατροπείς ισχύος από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα για τη σύνδεση των πηγών με τα συστήματα διανομής. Συστήματα διόρθωσης συντελεστή ισχύος. Η χρήση συστοιχιών πυκνωτών προκαλεί παραγωγή αρμονικών λόγω συντονισμού, όπως επίσης και η χρήση πηνίων αντιστάθμισης που χρησιμοποιούνται για την εξουδετέρωση χωρητικών φορτίσεων (π.χ. μεγάλων γραμμών μεταφοράς). Άλλος λόγος δημιουργίας αρμονικών στα ανωτέρω συστήματα είναι τα θυρίστορ, που περιλαμβάνονται στις νέες μεθόδους διόρθωσης του συντελεστή ισχύος. Συσκευές φόρτισης συσσωρευτών. Απαιτούν χρήση ανορθωτών και χρησιμοποιούνται για παράδειγμα σε ηλεκτρικά οχήματα που λειτουργούν με συσσωρευτές. Συσκευές άμεσης μετατροπής ενέργειας (π.χ. μαγνητο-υδροδυναμική μετατροπή, κύτταρα καυσίμου, κλπ), που απαιτούν μετατροπείς από εναλλασσόμενο σε συνεχές ρεύμα. Κυκλομετατροπείς (cycloconverters) που χρησιμοποιούνται σε κινητήρες χαμηλών ταχυτήτων και μεγάλων ροπών, κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται η κυματομορφή και η ενδεικτική αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 28

33 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Σχήμα 9 Κυματομορφή και ενδεικτική αρμονική παραμόρφωση για διάφορα είδη φορτίων. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 29

34 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες 2.4 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΡΜΟΝΙΚΩΝ Ο εξοπλισμός αποκρίνεται διαφορετικά κατά την εφαρμογή σε αυτόν αρμονικής τάσης και εξαρτάται σημαντικά από την μέθοδο λειτουργίας. Για παράδειγμα, οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και οι περισσότεροι τύποι οικιακών θερμοσιφώνων και θερμαστρών δεν επηρεάζονται σχεδόν καθόλου. Από την άλλη, τα τυλίγματα των επαγωγικών κινητήρων υπερθερμαίνονται από τις αρμονικές, προκαλώντας με αυξημένο ρυθμό μείωση της αποδοτικότητας των μονώσεων, όπως και μείωση του χρόνου ζωής τους (20). Οι αρμονικές τάσεις μπορούν να δώσουν αντιστοίχως μεγαλύτερα ρεύματα από αυτά της θεμελιώδους συνιστώσας και για αυτό μπορεί εύκολα να υποτιμηθεί ο βαθμός αύξησης της θερμότητας στον κινητήρα (στην αρχική μελέτη θεωρήθηκε ότι θα φτάσει μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο με αποτέλεσμα καταστροφικές συνέπειες για τον κινητήρα). Η λειτουργία κάποιων συσκευών βασίζεται σε μία ακριβή κυματομορφή τάσης με ελάχιστες αποκλίσεις, με αποτέλεσμα αυτές οι συσκευές να δυσλειτουργούν παρουσία αρμονικών. Παραδείγματα τέτοιων συσκευών αποτελούν εξοπλισμοί που περιλαμβάνουν θυρίστορ όπως ρυθμιστές μεταβλητής έντασης φωτισμού και μηχανές συγκόλληση. Πολλές από τις αρμονικές που διαρρέουν το δίκτυο οφείλονται στην παραμόρφωση που εισάγουν μονοφασικά φορτία, όπως παρατηρείται σε κτίρια που στεγάζουν γραφεία, και μπορεί να προκαλέσουν διαρροή ρευμάτων στον ουδέτερο αγωγό που ξεπερνούν την ονομαστική ενεργό τιμή του ρεύματος. Σε συνθήκες χωρίς αρμονικές, ο ουδέτερος μεταφέρει πολύ μικρά ρεύματα, και κατά συνέπεια έχει γίνει πλέον πρακτική να τοποθετούνται αγωγοί στον ουδέτερο που να μπορούν να μεταφέρουν ολόκληρο ή πιθανά το μισό από την ονομαστική ενεργό τιμή του ρεύματος. Με αυξημένα επίπεδα αρμονικών ελλοχεύει ο κίνδυνος υπερφόρτισης του ουδετέρου με δύο πιθανές επιπτώσεις (21): Υπερθέρμανση του αγωγού στον ουδέτερο με μείωση του χρόνου ζωής και ενδεχόμενο εκδήλωσης πυρκαγιάς. Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 30

35 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες Υπάρχουν ενδείξεις ότι εμφάνιση μεγάλων τάσεων στον ουδέτερο επηρεάζουν τον ψηφιακό εξοπλισμό και τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών αν δεν υφίσταται καλό σύστημα γείωσης. Στο σύστημα τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας, οι μετασχηματιστές των υποσταθμών και οι πυκνωτές αντιστάθμισης είναι αυτοί που επηρεάζονται περισσότερο. Οι μετασχηματιστές επηρεάζονται από παραμορφωμένη κυματομορφή ρεύματος που μπορεί να προκαλέσει επιπλέον θέρμανση και να οδηγήσει σε μείωση του χρόνου ζωής τους. Οι πυκνωτές επηρεάζονται από την επιβαλλόμενη κυματομορφή της τάσης, που αν είναι σημαντικά παραμορφωμένη μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση του διηλεκτρικού μέσου στον πυκνωτή, με κίνδυνο να οδηγήσει σε έκρηξη. Οι περισσότεροι μηχανικοί στις εργοστασιακές εγκαταστάσεις ενδιαφέρονται μόνο για προβλήματα στην παρεχόμενη ισχύ τα οποία γίνονται άμεσα αντιληπτά, αφού οδηγούν σε άμεση δυσλειτουργία ή αστοχία του εξοπλισμού. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία έχει παρατηρηθεί ότι η επίδραση των αρμονικών στον εξοπλισμό μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση και μείωση της διάρκειας ζωής (ή την διάρκεια ασφαλούς λειτουργίας, δηλαδή μετά απαιτείται συντήρηση ή επισκευή) σε μέγεθος μέχρι και το μισό της αναμενόμενης, με προφανείς οικονομικές επιπτώσεις. Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα προβλήματα στο σύστημα, οι αρμονικές μπορούν να περνούν απαρατήρητες για αρκετά χρόνια εκτός αν τύχει να γίνει κάποια προκαθορισμένη μέτρηση στην θερμοκρασία της συσκευής ή στην κυματομορφή τάσης που τροφοδοτείται. Στο συγκεκριμένο σημείο πρέπει να τονισθεί ότι στις πηγές αρμονικών ανήκει και το ίδιο το σύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, όμως η επίδραση αυτή δεν είναι τόσο σημαντική στην δημιουργία όσο στην διάδοση ή στην διατήρηση των ήδη υπαρχόντων αρμονικών στο δίκτυο. Σε αυτό συνεισφέρει το γεγονός ότι για τους παραγωγούς ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμα Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 31

36 Κεφάλαιο 2: Αρμονικες και για τους μικρούς, υπάρχουν συγκεκριμένα όρια που πρέπει να τηρούνται και έτσι έχουν αναπτύξει μεθόδους εξάλειψης των αρμονικών στην τάση. Το ίδιο συμβαίνει και με μερικούς από τους μεγάλους καταναλωτές υψηλής τάσης, αλλά όχι συστηματικά και μετά από παρατήρηση δημιουργίας σημαντικών προβλημάτων στους γειτονικούς καταναλωτές. Έτσι δεν είναι τυχαίο ότι πριν την δεκαετία του 60 η αρμονική παραμόρφωση ήταν ελάχιστη (έκτοτε το δίκτυο αναπτύχθηκε πολύ, αλλά πολλές φορές άναρχα). Στις μέρες μας, ένας διαφορετικός τύπος φορτίου καταναλωτών, με χρήση των ηλεκτρονικών ισχύος, έχει γίνει αρκετά δημοφιλής. Αυτά τα καλούμενα και ως «φορτία εισαγωγής διαταραχών» απορροφούν ρεύματα που δεν είναι ημιτονοειδούς μορφής όπως φαίνεται και στο Σχήμα 10 (α) και (β). ο πρώτος τύπος ρεύματος απορροφάται από ηλεκτρονικό εξοπλισμό γραφείου, όπως κομπιούτερ, φαξ και άλλες οικιακές συσκευές με ηλεκτρονικό έλεγχο, όπως οι πιο πολύπλοκοι τύποι πλυντηρίων. Ο δεύτερος τύπος ρεύματος απορροφάται από συστήματα οδήγησης κινητήρων μεταβλητής ταχύτητας, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην γραμμή παραγωγής μιας βιομηχανίας ή στους ανελκυστήρες. Σχήμα 10 Κυματομορφές ρεύματος που απορροφά (a) ένας προσωπικός υπολογιστής και (b) ένας κινητήρας με inverter Πτυχιακή εργασία: Φρονιμάκη Νικόλαου Σελίδα 32